ЭВОЛЮЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА В СТРОИТЕЛЬНОЙ ОТРАСЛИ И ПРОБЛЕМЫ ЕГО ВНЕДРЕНИЯ В МИРЕ

Введение

Развитие аддитивных технологий (АТ) в строительной отрасли приобрело особую актуальность. Это инновационное решение для устойчивой застройки окружающей среды. Многие исследования проводятся по всему миру, чтобы разъяснить значение аддитивного производства для создания более безопасного и гибкого будущего в строительной отрасли. Нет никаких сомнений в том, что AТ и цифровизация настроены на преобразование конструктивной промышленности в мировом масштабе в ближайшие несколько лет. Однако примечательно, что строительная промышленность находится только в начале своего пути автоматизации и применения АТ в настоящее время по-прежнему фрагментированы. Поэтому исследователи и промышленники несут ответственность за то, чтобы понять и тщательно внедрить новую технологию наряду со многими разрушительными концепциями. Следовательно, в данной работе представлен обзор развития аддитивного производства в строительстве. Промышленность преодолела ряд ограничений и проблем. Кроме того, отсутствие и требования точного исследования, предназначенные для будущего, признаются. В данной работе основное внимание уделяется широко используемым аддитивным технологиям строительства и цементные материалы, специально используемые для экструзии на основе бетонной печати.

1. Внедрение и развитие технологии аддитивного производства

Цифровые технологии стремительно меняют весь мир, в котором мы живем. Аддитивные технологии (АТ) - это процесс соединения материалов вместе слой за слоем, под компьютерным управлением. Управляемая программа для создания трехмерных объектов также называются 3Д

Печать (3DP) - быстрое прототипирование, изготовление слоев и изготовление свободной формы. 3D-печать специально определена Американским обществом испытаний и материалов (ASTM, 2012) как изготовление объектов путем нанесения материала с помощью печатающей головки, сопла или другого устройства принтера. Данные, созданные из цифровой модели, передаются на машину, которая затем строит модель или компонент слой за слоем с меньшим количеством отходов.

Концепция построения 3D-модели

Объект в слоях на самом деле не является новым для строительной отрасли. Например, Египетские пирамиды были развитая эта техника наслоения и обычная кирпичная или блочная конструкция также следует процесс расширения слоя за слоем.

По данным 3DPI (2014), 3D-или AM-печать началась в начале 1980-х годов.

декада достойна похвалы, так как она была использована для преодоления ограничений в традиционной технике окружающая среда. С момента открытия эта технология играет важную роль в производстве отрасли промышленности для производства сложных трехмерных геометрических структур из различных материалов.

За последние 35 лет АТ выдающийся рост инноваций в технологии 3D-печати можно было бы увидеть с огромным разнообразием полимеры, металлические сплавы, керамика, некоторые пластмассы и бетон, подобные смесям, были использованы в качестве добавки производственный сектор. Например, медицинская промышленность использует технологию 3DP для производства высококачественных продуктов трансплантация костей и суставов, а также анатомические модели для исследовательских и аналитических целей. Архитекторы используют 3DP для создания сложных 3D-моделей для своих клиентов; 3DP даже используется в аэрокосмическая промышленность для печати воздушных пленок (Chen and Yossef, 2015). В последние годы, технология 3DP имеет получил большое внимание от строительной отрасли как перспективное и устойчивое строительство метод. Таблица 1 описывает рост 3DP в течение многих лет.

Таблица 1.

Развитие 3D-печати на протяжении многих лет

2. Разработка АТ в бетонном строительстве

Крупномасштабные процессы производства добавок на основе цемента, часто называемые 3D-печатью бетона. Они находятся в стадии разработки в течение последнего десятилетия и в настоящее время более 30 международных групп находятся в стадии разработки занимается исследованиями. Компания Pegna (1997) первой внедрила технологию аддитивного производства использование цементных материалов. В этом исследовании промежуточный процесс также был использован для прикрепления слоев песка вместе с Портландцементной пастой (Nematollahi et al., 2017). Перед строительной отраслью стоит непростая задача. Ряд проблем, таких как производительность, устойчивость и экономическая конкурентоспособность, а также удовлетворение потребности в создании более совершенного здания и более сильных сообществ. Цифровая трансформация имеет огромное значение потенциал для трансформации строительства как в его эффективности, так и в его привлекательности. Это может помочь строительная отрасль должна стать более эффективной, производительной, прибыльной и устойчивой. Существуют отличные преимущества технологии 3D печати бетона по сравнению с обычной опалубкой способ бетонирования, такой как эффективность труда, экономия времени и затрат, экологический и экономический воздействие и повышенная сложность проектирования (Kidwell, 2017). Как спрос на сборный железобетон решения растут, клиенты все чаще отдают предпочтение стороннему производимому продукту для строительства сложные формы, которые могут быть доставлены на объект в целом. Следовательно, он также включает потенциал мульти-функциональность для структурных или архитектурных элементов, используя преимущества сложной геометрии и обеспечивает возможность 3D-печати очень детализированных и сложных конструктивных особенностей, объединенных в здание, включая вентиляцию, сантехнику и электропроводку. Кроме того, это повышает устойчивость в строительство за счет снижения потерь и затрат на строительство за счет устранения опалубки. В дополнение, сокращение сроков строительства на месте, сведение к минимуму вероятности ошибок при использовании высокоточного материала осаждение, снижение травматизма и повышение уровня безопасности в строительстве может быть достигнуто путем это технология 3D-печати бетона. Рис. 1 (А) и рис. 1 (б), взятые из международных источников. Обследование стоимости строительства 2016 года, показывает среднюю экономию затрат на сырье и трудозатраты обычные методы строительства по сравнению с 3DP.

Международное Обследование Стоимости Строительства 2016 (Kidwell, 2016)

Рисунок 1. Стоимость а) сырья и затрат, б) рабочей силы

Рисунок 2. Развитие крупномасштабного аддитивного производства в строительной сфере

Buswell et al. (2007), Buswell et al. (2008) провели обзор по быстрой технологии строительства, на основе которой был разработан метод строительства свободной формы. Термин конструкция свободной формы, с использованием аддитивных технологий был определен для методов, с помощью которых поставляют крупномасштабные компоненты для строительства, без необходимости опалубки. Они просчитали, как конструкция свободной формы могла бы снизить стоимость строительства и обеспечить свободу выбора геометрии с лучшей производительностью, чем обычный метод бетонирования. Согласно с Нематоллахи и др. (2017), технологии 3D-печати в основном основана на двух методах, а именно: экструзионная и порошковая основа. Lim с соавт. (2009) и Dams et al. (2017) заявили, что методы производства можно разделить на три основных типа: контурное ремесло, разработанное Университетом Южной Калифорнии, США; бетонная печать, разработанная Университетом Лафборо, Великобритания, которые рассматриваются как экструзионный процесс и D-образная печать, (порошковый процесс). На рисунке 2 показано, как развивалось крупномасштабное аддитивное производство в строительном применении с 1997 года (Buswell и др., 2018). Это исследование в основном сосредоточено на экструзионной печати бетона (на основе экструзии).

2.1 Экструзионная печать на основе бетона

Экструзионный метод - это метод, который вытесняет цементный материал из сопла, впервые это было сделано Лимом и др. (2011) из Департамента гражданского строительства в Лафборском Университете. Этот метод был предназначен для применения в строительстве на месте, например, в крупномасштабных проектах, в строительных объектах со сложной геометрией. Автоматически контролируемые сопла льют слоями и бетонируют один поверх другого, для того, чтобы произвести конструкцию свободной формы. Слой за слоем выгоняется конструкция высотой в несколько метров. В методе экструзионной печати на основе бетона можно говорить о двух направлениях: контурной обработке и бетонной печати.

2.1.1 Контурная обработка

Этот процесс был запатентован профессором Бехрохом Хошневисом из Университета Южной Калифорнии. Это аддитивная технология строительства, которая использует компьютерное управление для достижения превосходной поверхности. Формообразующая способность шпателя для получения гладкой и точной плоской формы поверхности. При контурной обработке насадка опирается на порт, перемещается назад и вперед. В два приема параллельные полосы создают слой на одном уровне, прежде чем двигаться вверх, где процесс начинается заново. Он выдавливает два слоя цементной смеси, чтобы построить вертикальную бетонную опалубку. Уникальный инструмент для контурной обработки - это шпатель, прикрепленный к насадке, чтобы вылепить поверхность и придать ей гладкую отделку. После завершения экструдированной опалубки бетон заливается вручную.

Основные преимущества: технология контурной обработки - это превосходная отделка конструкции, которая образует готовую к покраске поверхность, значительно увеличивает скорость изготовления и это позволяет устанавливать внутренние компоненты, такие как трубы, электрические провода и арматурные модули перед заливкой бетона.Но есть и некоторые ограничения контурной обработки, такие как ограничение размера и охвата сопла, пресс-форма не утилизируется и становится частью стены, а метод КО требует чрезмерного количества этапов, включающие формование, установку арматуры и укладку бетона для создания слоев толщиной до 20 мм в высоту. Также эта технология ограничена вертикальными слоями, следовательно, дающая топологию 2.5D (вертикальное расширение плоской формы); начальная опалубка и система шпателя может быть достаточно сложной для реализации в производстве, в зависимости от размера и формы шпателя. Прерывистое последовательное литье бетона внутри опалубки из-за гидростатического давления и слабых механических свойств бетона могут привести к его ослаблению в межфазных зонах между слоями. Эти ограничения побудили разработать строительный метод бетонной печати.

2.1.2 Бетонная печать

Эта технология также использует экструзионную технику и в какой-то степени похожа на метод контурной обработки. Однако эта технология печати была разработана для того, чтобы сохранить свободу 3D и иметь меньшее разрешение осаждения, что позволяет осуществлять больший контроль внутренних и внешних воздействий на геометрию. Lim с соавт. (2011) с кафедры гражданского строительства Университета Лафборо были пионерами в изучении и разработке высокопроизводительного 3D-печатного бетона. Кроме того, материал, используемый в бетонной печати, представляет собой высокоэффективный армированный волокнами мелкозернистый бетон, что приводит к превосходным свойствам материала. Они использовали 3D-принтер, который имел небольшую печатающую головку для 3D-печати и во многих слоях имел скамейчатую структуру. Основным недостатком этой технологии является то, что она требует дополнительной поддержки для создания свесов и других конструкций свободной формы, и это требует дополнительного устройства осаждения. Также специалисты выявили следующие недостатки: условие, необходимое для поддержания его размерной точности, делает процесс довольно медленным по отношению к предлагаемому промышленному применению; хотя технология первоначально направлена на генерацию 3D-топологий, а не 2.5 D, использование второго материала для опорных свесов снижает эффективность и гибкость процесса при одновременном увеличении его стоимости; а размеры и возможности с точки зрения дизайна формы ограничены размерами печатной рамки самого объекта.

2.2 Проблемы в области экструзии на основе 3D-печати

Данные печатные технологии подвержены некоторым ограничениям и требованиям, поскольку они находятся на начальных этапах в бетонной строительной отрасли. Основные проблемы этой технологии должны быть преодолены, чтобы быть применимыми в будущей промышленности; разработка подходящего печатного станка или инструмента, и разработка подходящих печатных материалов с настройками свойств материала и машины. Основной составляющей этого процесса является производственная техника и материалы, разработанные специально, чтобы обеспечить их функциональность при реальных жизненных сценариях. По этой причине, начальная стоимость данной технологии выше, чем у обычных конструкций.

2.2.1 Экструзии на основе бетонной 3D-печати

Основными ограничениями являются необходимость использования новых и усовершенствованных машин с малыми размерами агрегатов и ограниченный размер печатных элементов. Например, размер 3D-принтера должен быть больше, чем размер печатаемого элемента. Другие вопросы, связанные с настройкой принтера, - диаметр сопла, печатная скорость, скорость экструзии, высота печати, путь печати, окружающая среда печати, такие как температура и влажность. Результаты работы Paul et al (2018), идентифицировавшие печатный образец с помощью прямоугольного отверстия, показали, что наблюдается тенденция к развитию прочности, в то время как круглое сопло значительно отличалось в худшую сторону. Хотя круглая насадка хороша для печати любого сложного объекта с изменчивой поверхностью. Вращаясь под разным углом, она может выдержать симметричное сечение, и поможет создать много пустот или отверстий в печатном объекте. Nerella и соавт. (2019) выявил отсутствие результатов испытаний на экструдируемость в экструдере сопла или печатающей головки, как и предыдущие исследования, были проверены только в автономном режиме на экструдируемость. Таким образом, в результате проведенных исследований был предложен метод характеристики экструдируемости цементных материалов для 3D-печати, количественным путем измерения потребляемой электроэнергии

2.2.2 Выбор материала

Еще одной важной задачей технологии экструзионной печати бетона на основе экструзии является получение пасты - смеси, достаточно прочной, чтобы без опоры выдерживать усилия конструкций (Панда и Тан, 2018). Малаеб и др. (2015) четко определили критерии выбора оптимальной качественной смеси; прочность на сжатие должна быть оптимизирована, а максимальная обрабатываемость материала должна быть достигнута. Необходимый расход в системе все же максимизирует возможность сборки при заливке и скорость бетонирования, время схватывания должно быть максимизировано при сохранении подходящей скорости схватывания, чтобы обеспечить сцепление с последующим слоем.

Каземян и др. (2017) утверждали, что обычный портландцемент является наиболее осуществимым вариантом, поскольку основной связующий материал для печатного бетона, благодаря четко выраженному свежему и затвердевшему свойству бетона, наряду с разнообразием существующих примесей, позволяют настроить его эксплуатационные характеристики. Кроме того, цемент является легко доступным, высоко производимым строительным материалом во всем мире, составляя почти 4 миллиарда тонн в год. Но Вайткявичюс и др. (2018) напротив, полагают, что время схватывания (~1 ч) и время отверждения (~12 ч) относительно очень высоко для материала для 3D-печати. Аналогичная идея была также рассмотрена Венгом и др. (2018) что материал должен быть откачиваемый при одновременном обеспечении того, что он может самоподдерживаться, когда он устанавливает и набирает достаточную силу, чтобы нести нагрузку из последующих слоев. Использование ускорителей гидратации цемента является обычным методом увеличения времени схватывания (Кинетика гидратации). Однако большинство ускорителей значительно увеличивают усадку бетона с течением времени, и это может привести к появлению трещин в конструкции.

Панда и др. (2017) ввели новую геополимерную смесь на основе летучей золы экструзионной 3D-печати бетона с добавлением измельченного гранулированного доменного шлака (GGBS) и дым кремнезема (SF), где OPC был заменен геополимером в качестве основного связующего. Это производство способствует высоким энергозатратам и выбросам CO2, следовательно, геополимер потенциально имеет меньшее воздействие на окружающую среду. Нагаратнам и др. (2013) определили, что только меньшее количество летучей золы включенные в бетонную смесь приведет к более высокой прочности при сжатии и растяжении в долгосрочной перспективе. Так как геополимерная смесь вела себя как сдвиговое истончение материала, то даже при кажущейся вязкости во время процесса экструзии, его восстановление было недостаточно быстрым, чтобы удержать еще один слой сверху. Таким образом, чтобы иметь лучшее свойство восстановления вязкости и высокий предел текучести, когда материал находится в состоянии покоя, Панда и Тан (2018) добавили немного Наноглины (аттапульгитовой глины) в выбранную смесь. Немного глины и микро-волокна также были использованы для дальнейшего улучшения свойств наращиваемости и уменьшения усадки.

Деформация в пластическом состоянии.

Нематоллахи и др. (2018) исследовали влияние полипропиленовых (ПП) волокон на упрочненные свойства 3D-печатных армированных волокон геополимерных растворов. Исследовано влияние типа волокна на межслойную связь и изгибную прочность экструзии - на основе 3D-печатного геополимера. Был изучен эффект добавления короткой прямой стали в волокна на поведение разрушения печатного раствора с помощью нескольких испытаний на литье и полировку печатного бетона в разных масштабах. Кроме этих добавок, большинство исследователей использовали кремнеземный дым в качестве добавки к увеличению когезионности, в то время как летучая зола и мелкий порошок известняка в качестве связующих веществ. Дополнительно, вязкостная модифицирующая добавка для повышения пластической вязкости и когезии, поликарбоксилатная, высоко диапазонная водорастворимая добавка для достижения требуемых результатов текучести для смесей и суперпластификатор на основе поликарбоксилата для снижения уровня воды/связующего и, следовательно, повышения обрабатываемости (задерживает затвердевание) и прочности, а также улучшенная экструдируемость была использована в печатной бетонной смеси. В 2018 г. определены смешанные изотропные и анизотропные свойства печатного бетона конструкции в разных аспектах отличаются от литых образцов, что является одним из ключевых недостатков. Следовательно, высокая прочность при сжатии, изгибе, растяжении будет основной задачей при разработке этого печатного бетона. Кроме того, компоненты свободной формы строятся без опалубки, и это может привести к тому, что в результате образуется трещина. Следовательно, низкая усадка также должна быть достигнута в конечном продукте. Аналогично, Каземян и др. (2017) выявили, что слоистые структуры, скорее всего, будут анизотропные, пустоты могут образовываться между слоями для ослабления структурной емкости. Таким образом, слоистый бетон может создавать слабые соединения в образцах и снижение несущей способности при сжатии, изгибе и растяжении - действиях, которые требует передачи напряжения через или вдоль этих соединений. Исследовано влияние на механические свойства 3D-печатного бетона и полученны относительно приемлемые результаты. В обоих печатных образцах была обнаружена тенденция к увеличению и уменьшению механической прочности. На направлении испытания, при сравнении с прочностью литого образца, прочность связи в 3D напечатанном образце взаимосвязан со многими параметрами, такими как вязкость материала, временной зазор между печатью слоев и площадь контакта между последовательными слоями.

3. Заключение и рекомендации

В данной работе рассматривается эволюция технологии аддитивного производства в строительной промышленности и определены возможные проблемы экструзии на основе конкретных методов печати. Независимо от низкого промышленного развития процессов 3D-печати бетона, эта технология остается перспективным для глобальной оптимизации архитектурного производства. Даже несмотря на многочисленность 3D-печатных бетонных конструкций доступных в настоящее время, многие проблемы все еще остаются в структурных и механических аспектах. Наблюдая за существующим состоянием материалов 3D-печати, можно сказать, что все еще недостаточно организованы материальные свойства. Видно, что, хотя существует множество научных исследований по различным вопросам перспективы 3D-печати бетона, ключевые ингредиенты композиций и механические свойства в некоторых случаях были исключены. Необходимость проведения будущих исследований для расширения применения этого метода новой технологии может быть определены следующим образом:

• Следует разработать подходящую конструкционную смесь и эффективные меры отверждения для обеспечения ожидаемых механических и физических характеристик.

✓ Исследование на печати оптимального и наиболее эффективного состава смеси для 3D-бетонного печатания

✓ Определение оптимального начального времени схватывания для базового слоя и последующих слоев для лучшего условия склеивания

✓ Детальное изучение флуктуирующего поведения прочности на сжатие, изгиб и интер-склеивание слоев с увеличением времени задержки

• Раствор для снижения прочности межслойных связей с добавлением волокон
• Отсутствие знаний по вопросам сушки, усадки и отложенной трещины
• Влияние различной формы и размера экструдера и сопла
• Влияние различных методов отверждения
• Влияние сцепления между слоями на прочность сцепления бетона на основе экструзии

Это исследование было направлено на оценку значимости, удобства использования, полноты и уровня знаний по данному вопросу. Ожидается, что статья о технологии аддитивного производства в современной строительной отрасли будет полезна для будущих исследователей, работающих в области аддитивного строительства, создавая знания, которые помогут лучше распределить их по всей отрасли, чтобы расширить применимость и иметь лучшее большие возможности использования в будущем.

Список литературы:

1. «Стандартная терминология для аддитивных производственных технологий» 2012
2. Buswell, R. A., Leal de Silva, W. R., Jones, S. Z. and Dirrenberger, J. (2018) «3D-печать с использованием экструзии бетона: дорожная карта для исследований»
3. Gosselin C., Duballet R., Roux pH., Gaudillière N., Dirrenberger J. и Morel pH. (2016) «Крупномасштабная 3D-печать сверхвысоких эксплуатационных характеристик бетона – новый маршрут обработки для архитекторов и строителей» Строителные материалы и дизайн, 100:102-109.
4. Каземян, А., Юань, Х., Кокран, э. и Хошневис, Б. (2017) «Цементные материалы для строительства - масштабная 3D-печать: лабораторные испытания свежей печатной смеси», строительство и строительные материалы, 145, С. 639-647.
5. Kidwell, J., (2017). «Лучшие практики 3D-печати в строительной отрасли»
6. Международный журнал промышленной и системной инженерии, 1(3): 301-320.
7. «Прочностные и микроструктурные характеристики пальмового масла топливной золы и летучей золы как бинарных и тройных смесей в самоуплотняющемся бетоне» Строительство и стройматериалы, 202, с. 103-120.
8. Nematollahi, B., Xia, M. and Sanjayan, J. (2017) «Текущий прогресс технологии 3D-печати бетона», в ISARC. Материалы Международного симпозиума по автоматизации и робототехнике в строительстве (Vol. 34). Вильнюсский технический университет имени Гедиминаса, кафедра Экономика Строительства И Недвижимость.
9. Pegna, J., (1997). «Исследования твердотельной конструкции свободной формы». Автоматизация в строительстве, 5(5), С. 427-437.
10. Shakor, P., Nejadi, S., Paul, G. and Malek, S. (2019). «Обзор новейших аддитивных технологий 3D печати цементных материалов в строительстве» Промышленность. Границы в застроенной среде, 4.